DE3781951T2 - Verfahren zur herstellung von polyisocyanaten mit biuretstruktur. - Google Patents
Verfahren zur herstellung von polyisocyanaten mit biuretstruktur.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Polyisocyanats mit Biuretstruktur, insbesondere ausgehend von einem aliphatischen, cycloaliphatischen oder arylaliphatischen Diisocyanat und Wasser.
- Die Polyisocyanate mit Biuretstruktur können zur Herstellung von Schaumstoffen, Adhäsiven und Lacken verwendet werden. Unter diesen Anwendungsmöglichkeiten gewinnt die Verwendung dieser Polyisocyanate als Lackbestandteile zunehmend für die Automobilindustrie an Bedeutung.
- Die ausgehend von aromatischen Polyisocyanaten hergestellten Farbschichten vergilben und werden rissig.
- Andererseits behalten die aus aliphatischen, cycloaliphatischen und arylaliphatischen Polyisocyanaten hergestellten Farbschichten während einer sehr langen Zeitdauer ihre Eigenschaften und sind so insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet.
- Die Herstellung aliphatischer, cycloaliphatischer und arylaliphatischer Polyisocyanate aus Diisocyanaten und Wasser bereitet jedoch einige Schwierigkeiten.
- So wird nach den amerikanischen Patenten Nr. 3.124.605 und 3.902.127 bei der Reaktion des Diisocyanat-Monomeren mit dem Wasser Polyharnstoff gebildet, der sich abscheidet. Die Reaktion zwischen dem Diisocyanat-Monomeren und Wasser, welches sich in geringen Mengen in dem Diisocyanat löst, erzeugt das Polyisocyanat mit Biuretstruktur. Andererseits führt die Reaktion des Wassers mit den geringen Mengen an Diisocyanat- Monomerem, das es zu lösen vermag, zur Bildung von Polyharnstoff.
- In dem französischen Patent, veröffentlicht unter der Nummer 2.382.468, wird zur Lösung des Problems vorgeschlagen, diese Polyisocyanate durch Reaktion des Diisocyanat-Monomeren mit Wasser bei einer Temperatur von mindestens 70ºC und in einem Gemisch mit einem Ethylenglycolderivat wie zum Beispiel einem Methylether des Ethylenglycolacetats und einem Methyl- oder Ethylphosphat herzustellen.
- Dieses Verfahren erlaubt es auf praktische Weise die Abscheidung des Polyharnstoffs in dem Polyisocyanat zu unterdrücken. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß umfangreiche Lösungsmittelmengen verwendet werden müssen, wodurch die Produktivität der Anlage vermindert wird und die anschließenden Destillationsprozesse erschwert werden.
- Es ist ebenfalls aus der EP-A 0 157 088 ein Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten mit Biuretstruktur bekannt, bei dem ein aliphatischen Diisocyanat bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart einer alpha,alpha,alpha-trisubstituierten Essigsäure oder ihrem Anhydrid, insbesondere Pivalinsäure, umgesetzt wird. Das genannte Verfahren benötigt auf jeden Fall die Gegenwart einer alpha,alpha,alpha-trisubstituierten Essigsäure.
- Die Anmelderin hat ein neues Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten mit Biuretstruktur aufgefunden, welches praktisch nicht mehr die vorstehend aufgeführten Nachteile aufweist.
- Das Verfahren besteht in der Umsetzung von mindestens einem aliphatischen, cycloaliphatischen oder arylaliphatischen Diisocyanat-Monomeren mit Wasser bei Abwesenheit einer alpha,alpha,alpha-trisubstituierten Essigsäure oder ihrer Anhydride und ist dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur von mindestens 70ºC und unter einem Gesamtdruck von mindestens 1,2 bar arbeitet, wobei der Partialdruck des Kohlendioxids mindestens gleich 0,2 bar beträgt.
- Es läßt sich ein Druck von der Größe des atmosphärischen Drucks eines gegenüber den Reaktionsteilnehmern inerten Gases wie Stickstoff, Argon oder trockene Luft, vervollständigt durch einen Teildruck des Kohlendioxids gleich oder höher als 0,2 bar, verwenden oder man kann eine Durchlüftung mit Kohlendioxidgas durchführen, wobei ein Ausgangsdruck gleich oder größer 1 bar Gesamtdruck erreicht wird.
- Man kann den Eigendruck der Reaktion, verursacht durch die Bildung von Kohlendioxidgases, während der gesamten Reaktion anwachsen lassen oder ihn bei dem gewünschten Niveau aufrechterhalten, indem man einen Teil des gebildeten CO&sub2; entweichen läßt.
- Obwohl die Anwendung sehr hoher Drücke praktisch kaum erwünscht ist, kann man das Verfahren gemäß der Erfindung unter Teildrücken des Kohlendioxidgases von 0,2 bis 100 bar durchführen.
- Vorzugsweise soll jedoch der Partialdruck des Kohlendioxidgases allgemein zwischen 0,5 und 50 bar betragen, wobei der Gesamtdruck höher oder gleich 1,5 bar ist.
- Die Diisocyant-Monomeren, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden können, stellen aliphatische, cycloaliphatische und arylaliphatische Diisocyanate dar, deren Isocyanatgruppe n nicht direkt an einen aromatischen Ring gebunden sind.
- Es können in nicht einschränkender Weise unter den Diisocyanat- Monomeren die folgenden Beispiele erwähnt werden:
- - Propan-1,3-diisocyanat
- - Butan-1,4-diisocyanat
- - Pentan-1,5-diisocyanat
- - Hexan-1,6-diisocyanat
- - Butan-2-ethyl-1,4-diisocyanat
- - Pentan-2-methyl-1,5-diisocyanat
- - Hexan-2,2,4-trimethyl-1,6-diisocyanat
- - Hexan-2,4,4-trimethyl-1,6-diisocyanat
- - Cyclohexan-1,2-diisocyanat
- - Cyclohexan-1,4-diisocyanat
- - Cyclobutan-1,2-bis(methylisocyanat)
- - Methan-bis(4-cyclohexyl-isocyanat)
- - Cyclohexan-3,3,5-trimethyl-5-methylisocyanat-1-isocyanat
- - Benzol-1,4-bis(methylisocyanat)
- - Benzol-1,2-bis(methylisocyanat)
- Die monomeren Diisocyanate können getrennt oder in Form von Mischungen verwendet werden.
- So kann zum Beispiel das Hexan-1,6-diisocyanat, das eines der bevorzugten Diisocyanat-Monomeren darstellt, allein oder in Mischung, insbesondere mit dem Pentan-2-methyl-1,5-diisocyanat und/oder dem Butan-2-ethyl-1,4-diisocyanat verwendet werden; Mischungen der zwei zuletzt genannten Diisocyanate können ebenfalls verwendet werden.
- Das molare Verhältnis Diisocyanat-Monomeres zu Wasser kann in einem sehr weiten Bereich variiert werden; jedoch ist die molare Masse des erhaltenen Polyisocyanats umso höher je niedriger das molare Verhältnis Diisocyanat-Monomeres zu Wasser ist. Allgemein ist es nicht vorteilhaft eine zu hohe molare Masse und eine zu hohe Viskosität zu erreichen.
- Andererseits sind die molare Masse und die Viskosität des erhaltenen Polyisocyanats umso niedriger je höher das Verhältnis Diisocyanat zu Wasser ist. Ein zu hohes Verhältnis ist jedoch aus ökonomischen Gründen nicht wünschenswert, da dies die Abtrennung und Wiederaufarbeitung einer großen Menge des Diisocyanat-Monomeren erfordert.
- Deshalb verwendet man im allgemeinen ein molares Verhältnis Diisocyanat zu Wasser zwischen 2 und 40. Vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis 5 bis 15.
- Die Temperatur, bei der die Reaktion des Diisocyanats mit Wasser durchgeführt wird, beträgt im allgemeinen zwischen 70ºC und 200ºC. Die Anwendung höherer Temperaturen stört nicht die Reaktion, jedoch führt sie zu unerwünschten Verfärbungen. Vorzugsweise arbeitet man bei einer Temperatur zwischen 119ºC und 150ºC.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in Gegenwart oder in Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Arbeitet man ohne Lösungsmittel, muß in ausreichendem Maße gerührt werden, um einen guten Kontakt zwischen dem Diisocyanat- Monomeren und dem Wasser zu erreichen.
- Die erhaltenen Ergebnisse sind sehr zufriedenstellend; das erhaltene Biuret ist durchsichtig.
- Gemäß einer Abänderung des vorliegenden Verfahrens kann man auch geringe Mengen an Lösungsmittel verwenden, um das Wasser zu verdünnen und um so den Kontakt und dementsprechend die Reaktion mit dem Diisocyanat-Monomeren zu verbessern.
- Unter geringen Lösungsmittelmengen versteht man Mengen, die das ein- bis zehnfache des Gewichts des verwendeten Wassers betragen.
- Vorzugsweise betragen diese Mengen das ein- bis fünffache des Gewichts des verwendeten Wassers. Diese Zahlen stellen nur kennzeichnende Werte dar, da es gleichermaßen problemlos möglich ist die Reaktion in einer Lösungsmittelphase, das heißt zum Beispiel mit einer Lösungsmittelmenge zwischen 10 und 80 Gewichtsprozent der Reaktionsmischung, durchzuführen.
- Die in einem Lösungsmittelmilieu erhaltenen Ergebnisse sind ausgezeichnet, jedoch wird diese Variante aufgrund der damit verbundenen geringeren Produktivität der Anlage und der notwendigen zusätzlichen Trennungsoperationen als nicht vorteilhaft angesehen.
- Wenn ein Lösungsmittel in einer geringen oder größeren Menge vorliegt, kann es ein Alkoxyalkan oder ein Carboxylat eines Alkoxyalkans wie zum Beispiel ein Derivat des Ethylenglycols (oder des Ethylenoxids), Propylenglcols (oder des Propylenoxids) und eventuell einer Carbonsäure wie Essigsäure sein.
- Es lassen sich zum Beispiel die in dem französischen Patent Nr. 2.382.468 beschriebenen Derivate des Ethylenglycols anführen. Man kann insbesondere auch 2-Methoxyethylacetat, 1,2-Dimethoxyethan, 2-Ethoxyethylacetat, Ethylenglycoldiacetat, 1-Methoxypropyl-2-acetat, 2-Methoxypropyl-1-acetat, 1-Ethoxypropyl-2- acetat, 2-Ethoxypropyl-1-acetat verwenden.
- Das verwendete Lösungsmittel kann ebenfalls ein Methyl- und oder Ethylester der Phosphorsäure sein, insbesondere Trimethylphosphat, Triethylphosphat, Dimethylethylphosphat oder Diethyl-methylphosphat.
- Diese Lösungsmittel können einzeln oder in Mischungen wie zum Beispiel Mischungen aus einem Alkoxyalcan oder einem Aloxyalcancarboxylat und einem Phosphorsäureester verwendet werden. In der Praxis läßt sich das Verfahren gemäß der Erfindung durchführen, indem man zuerst das Diisocyanat-Monomere oder die Mischung der Diisocyanate eingibt, danach die Apparatur mit einem trockenen, inerten Gas wie Stickstoff, Argon oder Kohlendioxidgas ausspült. Anschließend wird unter Rührung das Wasser, mit dem ein- bis zehnfachen seines Gewichts mit einem der aufgeführten Lösungsmittel verdünnt, zugegeben.
- Die Apparatur wird einem Druck zwischen 2 und 10 bar Gesamtdruck mit Hilfe des Kohlendioxidgases ausgesetzt und auf 120ºC bis 140ºC erwärmt. Der Gesamtdruck wird im allgemeinen bei einem Wert zwischen 2 bis 10 bar bei Entfernung des überschüssigen Kohlendioxidgases gehalten.
- Nach Beendigung der Reaktion (einige Minuten bis zu einigen Stunden) wird das Kohlendioxid entgast und das überschüssige Diisocyanat-Monomere entfernt. Man erhält ein klares, niederschlagsfreies Biuret. Seine Viskosität ist abhängig vom molaren Verhältnis Diisocyanat zu verwendetem Wasser. Das Biuret ist über längere Zeit stabil; es läßt sich nach mehrmonatiger Lagerung keine Niederschlagsbildung beobachten, ebensowenig eine merkliche Erhöhung des Gehalts an freiem Diisocyanat.
- Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele erläutert.
- In einen Autoklaven von 3,6 l Inhalt, ausgerüstet mit einem Propellerrührwerk und erhitzt durch einen doppeltummantelten Umlauferhitzer, wird Hexan-1,6-diisocyanat (HDI) und eventuell Lösungsmittel eingegeben.
- Das Wasser wird mittels einer leistungsfähigen, zwischen 0 und 600 ml/h regulierbaren Dosierpumpe, die mit einem Tauchrohr verbunden ist, zum HDI zugegeben. Das gebildete Gas entweicht durch einen Rückflußkühler, über dem sich ein regulierbares, geeichtes Ventil befindet, so daß der Autoklav bei einem vorher ausgewählten Druck konstant gehalten werden kann.
- Man erhitzt das HDI, möglicherweise auch die Lösungsmittel, auf 130ºC und fügt das Wasser bei einer konstanten Geschwindigkeit von 1 mL/min hinzu. Nach der Zugabe der benötigten Wassermenge wird die Temperatur während drei Stunden bei 130ºC gehalten.
- Gegen Ende der Wasserzugabe steigt der Druck an und erreicht den ausgewählten Wert. Sodann öffnet sich das Regulierventil, das überschüssige Gas wird abgelassen und es wird im Autoklaven der für den Versuch ausgewählte Druck beibehalten.
- Gegen Ende der Umsetzung bringt man den Autoklaven auf atmosphärischen Druck, kühlt ab und zieht das erhaltene Produkt ab. Es stellt eine Mischung aus HDI, Biuret und eventuell Lösungsmittel dar.
- Dieses Produkt wird anschließend mit einem Rotationsfilmverdampfer behandelt.
- Die nachstehende Tabelle faßt die bei den verschiedenen Versuchen erhaltenen Ergebnisse zusammen. Beisp. HDI Wasser Lösungsmittel (1) Gesamtdruck Viskosität des Biurets bei 25ºC HDI in Gew.-% zu Versuchsende (*) Stabilität (2) des HDI in Gew.-% (1) = Mischung (1 : 1) aus Methoxyethylacetat und Ethylphosphat in Gewichtsprozent (2) = Nach einmonatiger Lagerung bei 60ºC (*) = Grenze der Dosiergenauigkeit
- Es wurde festgestellt, daß bei Nichtverwendung von Lösungsmitteln das erhaltene Biuret weniger viskos ist (siehe auch Beispiel 2) als bei der Verwendung von Lösungsmitteln (Beispiel 1).
- In allen Beispielen ist das am Schluß der Reaktion erhaltene Produkt und das Endprodukt Biuret klar.
- Wenn man die Biuretbildungsreaktion unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 2 bis 5, das heißt ohne Lösungsmittel durchführt, jedoch unter atmosphärischem Druck, ist das erhaltene Produkt durch einen Polyharnstoffniederschlag verunreinigt.
- HDI in Gewichtsprozent gegen Ende der Reaktion: 0,15%
- HDI in Gewichtsprozent nach einer einmonatigen Lagerung bei 60ºC: 0,8%.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines organischen
Polyisocyanats mit Biuretstruktur, bei dem mindestens ein
aliphatisches, cycloaliphatisches oder
arylaliphatisches Diisocyanat mit Wasser in Abwesenheit einer
α,α,α-trisubstituierten Essigsäure oder deren
Anhydriden umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß man bei einer Temperatur von mindestens 70ºC
und unter einem Gesamtdruck von mindestens 1,2 bar
arbeitet, wobei der Partialdruck des Kohlendioxyds
mindestens gleich 0,2 bar beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Partialdruck des Kohlendioxids zwischen 0,5
und 50 bar liegt und der Gesamtdruck höher oder
gleich 1,5 bar ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von monomeren
Diisocyanat zu Wasser zwischen 2 und 40,
vorzugsweise 5 und 15 liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man kein Lösungsmittel
verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man in Gegenwart eines oder
mehrerer Lösungsmittel wie Alkoxyalkanen,
Alkoxyalkancarboxylaten und Phosphorsäuremethyl- und/oder
-ethylester arbeitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewicht des verwendeten Lösungsmittels das
1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5fache des Gewichts
des eingesetzten Wassers beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewicht des verwendeten Lösungsmittels 10
bis 80 Gew.% des Reaktionsgemisches darstellt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lösungsmittel aus
2-Methoxyethylacetat, 1,2-Dimethoxyethan,
2-Ethoxyethylacetat, Ethylenglykoldiacetat, 1-Methoxypropyl-2-
acetat, 2-Methoxypropyl-1-acetat, 1-Ethoxypropyl-
2-acetat, 2-Ethoxypropyl-1-acetat oder
Phosphorsäuremethyl- und/oder -ethylester wie
Trimethylphosphat, Triethylphosphat, Dimethyl-ethylphosphat
und Diethyl-methylphosphat ausgewählt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung zwischen
70ºC und 200ºC, vorzugsweise zwischen 110ºC und
150ºC durchgeführt wird.
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